基于结构性能的抗震设计理论综述

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　　摘要：基于结构功能的设计理论是90年代国际上提出的新概念，是抗震设计理念上的一次变革。本文首先阐述了基于结构性能的设计理论产生的背景、研究内容、设计流程；然后重点介绍了目前已被世界地震工程界广泛应用的基于位移的设计方法；最后就其研究和应用前景进行了展望。
　　关键词：结构性能 抗震设计 位移 位移延性系数 能力需求曲线
　　Discuss on Aseismatic Design Based on Structural Performance
　　Abstract: Aseismatic design based on structural performance was put forward firstly in 90’s of last century. It was a reform of design ideas . This paper introduced the background、content and process of the design theory. The method of design based on displacement which has been applied widely was emphasized. At the end of this paper, the development of the design was analysed.
　　Keywords: structural performance, aseismatic design, displacement, modulus of displacement ductibility, curve of capability demand.
　　前言：
　　 传统的抗震设计方法是以保证人的生命安全为原则的设计方法，依此思想设计的各种建筑物在地震作用下基本能够保证生命安全。近年来世界各国发生的大地震，特别是1989年美国Loma Prieta、1994年美国Northridge和1995年日本阪神地震的震害都表明，按现行建筑抗震规范设计的结构总体上基本保证了“大震不倒”的安全目标，但是造成的经济损伤极其严重。为了强化结构抗震的安全目标和提高结构抗震的功能要求，美国学者Bertero等人提出了基于性能的抗震设计思想和方法（Bertero，1996；SEAOC，Vision 2000 Committee，1995）。随后这种抗震设计思想引起了整个地震工程界极大的兴趣。从各国抗震设计规范修订的动向看,可以说基于性能的抗震设计思路(Performance Based Seismic Design 简称PBSD)是21世纪世界抗震设计规范的大潮流，21世纪的地震工程将是基于功能的地震工程。
　　1DBSD设计理论
　　1.1 PBSD理论的研究内容
　　 基于功能的结构抗震设计方法是以结构抗震性能分析为基础的设计方法。美国加州结构工程学会的放眼21世纪委员会(Vision 2000 Committee SEAOC 1995)明确提出了PBSD的理论框架，它应包括地震设防水准、结构抗震性能水准、结构抗震设计方法等三方面内容。
　　1.2地震设防水准的划分
　　 PBSD 理论的实质就是要控制结构在未来可能发生的地震作用下的抗震功能,地震设防水准是指未来可能作用于场地的地震作用的大小。Vision 2000 Committee大会宣言称，基于性能的结构抗震设计理论追求能控制建筑物经历现场发生的所有地震波谱的破坏水准，为了实现这一方法，需要根据不同重现期选择所有可能发生的、对应不同等级的地震动参数的波谱，这些具体的地震动参数称为“地震设计水准”。放眼21世纪委员会在关于结构功能设计的研究报告中,建议设防地震等级由表一所示：
　　1.3结构抗震性能水准的划分及设防目标的建立
　　 结构抗震性能水准表示建筑物在特定某一地震设计水准下预期破坏的最大程度。结构、非结构构件以及因它们破坏引起的后果，主要用结构破坏程度、结构功能和人员安全性来表达。结构在地震作用下的性能可以表现为位移、能量和地震损伤，性能水准应该表达为量化指标、工程术语,以便于工程设计和评估。结构抗震性能等级由表二描述。
　　 结构抗震设防目标是针对某一地震设防水准而期望达到的抗震性能等级。美国学者建议，将结构抗震设防目标分为三类:基本设防目标、重要设防目标、特别设防目标。结构抗震设防目标与设防地震等级、抗震性能等级的关系（性
　　态控制图）见图一。
　　
　　
　　1.4DBSD理论的三种方法
　　 基于位移的抗震设计大致可归纳为:按延性系数设计的方法、能力谱方法和直接基于位移的方法。
　　1.4.1按延性系数设计的方法
　　 延性通常包括结构延性、构件延性和截面延性三个层次。结构延性可以用顶点位移延性(总体延性)或层间位移延性(楼层延性)来表达；构件延性与塑性铰区长度和截面延性等有关；截面延性与其几何形状、混凝土强度、轴压比、纵筋含钢率、含箍特征值等因素有关。对于一个给定的结构，截面的延性系数大于构件的延性系数；构件的延性系数大于结构的延性系数，两者的关系与结构的塑性铰机制等有关。对于梁铰机制的框架结构，总体延性系数为3～5时，楼层延性系数可能为3～10，而梁构件的延性系数可能为5～15或更大一些。
　　 按延性系数设计方法的实质，是通过建立构件的位移延性系数或截面曲率延性系数与塑性铰区混凝土极限压应变的关系，由约束箍筋来保证核心混凝土能够达到所要求的极限压应变，从而使构件具有要求的延性系数。这种方法在新西兰等国家得到应用,并常称之为“能力设计”方法。
　　 用位移延性系数描述构件的弹塑性变形能力的最大问题是如何定义结构或构件的屈服位移和极限位移,不同的定义得到的延性系数可能相差很大。
　　1.4.2 能力谱设计法
　　 能力谱方法也可以称为非线性静力方法 (NonlinearStaticProcedure)或静力弹塑性分析(Push Over Analysis)，它是1975年由Freeman等提出来的，后来由众多学者如Fajfar等的发展、完善了能力谱法。这种方法目前仍处于不断的完善与改进之中。各研究者提出的计算方法不尽相同，但没有本质差别。其步骤如下:
　　按规范进行结构承载力设计；
　　对结构进行非线性静力分析 。用单调增加水平荷载作用下的静力弹塑性
　　分析(push over alysis)，计算结构的基底剪力 -顶点位移曲线。
　　 （3）建立能力谱曲线对不很高的建筑结构，地震反应以第一振型反应为主
　　可用等效单自由度体系代替原结构。因此，可以将-曲线转换为谱加速度 -谱位移曲线，即能力谱曲线:
　　
　　式中、分别为结构第一振型的振型参与系数和模态质量。
　　建立需求谱曲线若采用规范的加速度反应谱作为结构的地面运动输
　　可以用式将其转换为-谱曲线,即需求谱曲线:
　　
　　 （4）确定结构的等效阻尼比或等效延性比
　　检验结构的抗震能力将能力谱曲线和某一水准地震的需求谱画在同一
　　坐标系中，若两条曲线没有交点，说明结构的抗震能力不足，需要重新设计；若两条曲线相交，交点对应的位移即为等效单自由度体系在该地震作用下的谱位移。将谱位移转换为原结构的顶点位移，根据该位移在原结构-曲线上的位置,即可确定结构在该地震作用下的塑性铰分布、杆端截面的曲率、截面边缘混凝土的压应变等,综合检验结构的抗震能力。

　　
　　
　　 《日本建筑标准法》和美国ATC－40都采用能力谱法作为基于位移抗震设计的分析方法。
　　1.4.3 直接基于位移的方法
　　直接基于位移的方法步骤如下:
　　⑴ 由规范加速度反应谱或地震加速度时程建立不同阻尼比的设计位移反应谱。
　　 (2) 计算结构等效单自由度体系的目标位移
　　
　　式中, 和分别为结构第层的质量和在某一水准地震作用下第层的层间位移。
　　 (3)确定等效单自由度体系的等效质量和等效阻尼比:等效质量可以用下式计算
　　
　　等效单自由度体系的位移延性系数, 式中取为。由延性系数和结构体系,可由等效阻尼比与延性系数的关系确定等效阻尼比。
　　 (4)确定等效单自由度体系的等效刚度
　　
　　式中,为等效单自由度体系的周期,根据等效单自由度体系的和确定。
　　 (5)计算设计基底剪力和水平地震力:等效单自由度体系的位移、刚度确定后,等效单自由度体系的地震作用 (图4(ｂ)),即原结构的设计基底剪力由下式确定
　　
　　水平地震力沿原结构高度的分布(图4(ａ))可以用下式计算:
　　
　　⑹ 计算原结构的水平地震作用效应:在水平力作用下的结构分析,应采用
　　结构顶点位移达时的杆件刚度。直接基于位移的抗震设计根据在一定水准地震作用下预期的位移计算地震作用,进行结构设计,以使构件达到预期的变形,结构达到预期的位移。用这种方法确定目标位移和将多自由度体系等效为单自由度体系的前提是结构中可能形成塑性铰的部位同时达到屈服,显然这在实际结构中是难以实现的。
　　
　　
　　2需要解决的几个问题
　　 基于结构性能的抗震设计理论尚不成熟，要广泛应用于设计存在一定的困难，有一些问题尚应进一步展开研究：
　　 在结构性能方面，对结构抗震性能的描述不宜采用“不坏”、“可修”和
　　“不倒”等模糊的定义，应采用量化的数据指标以便用于工程设计；
　　 完善能力谱方法,考虑高振型的影响,研究如何模拟剪力墙等抗侧力元，
　　以保证对体型复杂及高层、超高层的建筑结构适用；
　　DBSD设计方法都是用静力方法去解决在地震作用下的结构设计问题,不
　　考虑诸如地震持续时间、结构往复弹塑性变形和累积耗能等因素的影响,这是方法本身固有的不足；
　　 建筑结构在罕遇地震作用下具有一定的破坏,这些状态可以用破坏指标
　　来度量。常用的破坏指标有:延性系数指标、能量耗散指标、位移指标、位移能量双重指标、考虑能量耗散的位移指标。应进一步研究哪种破损指标才能真正地表现地震作用下的破坏性能；
　　 建立层间位移与构件变形的关系，构件变形与纵向配筋、轴压比及含箍
　　特征值等的关系，建立考虑构件的弯曲、剪切变形、塑性铰区长度、结构塑性铰机制等与结构位移的关系，以便广泛地应用于工程设计；
　　 结构构件屈服进入弹塑性后，构件滞回耗能产生的滞回阻尼可以用等效
　　粘滞阻尼比表示。构件滞回耗能的大小主要与构件的弹塑性位移比（即延性比）有关。建立构件、结构的滞回耗能与等效阻尼比的关系，是基于位移抗震设计的关键之一；
　　 建立位移谱最简单和直接的方法是根据谱位移与谱加速度的关系,从现
　　行规范所用的加速度反应谱导出。但是,国际地震工程协会(IAEE)的研究表明这种方法并不合理。国外一些学者建立了不同阻尼比的位移谱和不同延性比的弹塑性反应谱，这些谱未反映中国地震地面运动的特征，因此有必要建立中国自己的位移谱和弹塑性反应谱。
　　3结语
　　 基于结构性能的抗震设计理论（Performance Based Seismic Design 简称PBSD）是以结构抗震性能分析为基础的结构设计，是设计理念的一次变革，涉及结构抗震设计的各个方面，对工程结构的设计和发展具有重大意义。目前关于PBSD理论的研究大部分还处于定性方向阶段。与国外相比，我国还处于刚起步阶段，可谓任重道远。总之，PBSD理论的研究与发展有待国内外土木工程学界和地震工程学界的共同努力。
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　　注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。

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